掛治電站水庫潰壩洪水計算及其影響淺析

陳 宏 覃 杰 黑 昭

（湖南五凌電力有限公司 長沙市 410004）

1 電站概況

掛治水電站位于沅水干流上游河段的清水江中下游，在貴州省黔東南苗族侗族自治州錦屏縣境內(nèi)，上距三板溪水電站約18 km，下距錦屏縣城約7 km，為沅水梯級規(guī)劃的第三級，工程以發(fā)電為主，兼有改善航運條件等綜合利用效益。

掛治水電站樞紐布置由左、右岸混凝土重力壩、河中溢流壩及廠房等水工建筑物組成。5孔開敞式溢流堰布置在河中，廠房壩段布置在右岸灘地，緊鄰溢流壩段布置。壩軸線長317.1m，壩頂高程327.00 m，最大壩高44.0m。溢流壩由5孔18m×17.70m（寬×高）溢流閘組成，其中3孔為深孔，2孔為淺孔。

掛治電站樞紐工程屬三等中型工程，樞紐建筑物中擋水建筑物、泄水建筑物及發(fā)電廠房等建筑物級別均為3級，結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅱ級；永久性次要水工建筑物級別為4級，結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅲ級；臨時建筑物級別為5級，結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅲ級。電站為低水頭河床式電站，是上游三板溪水電站下游的反調(diào)節(jié)電站。年平均發(fā)電量為4.021億kW·h，年利用小時數(shù)2681h，保證出力42.5MW。正常蓄水位322.00m，相應(yīng)庫容4 184萬m3，死水位320.00m，相應(yīng)庫容3 474m3，調(diào)節(jié)庫容710萬m3，屬徑流式電站。

2 大壩潰決分析

2.1 可能導(dǎo)致水庫大壩潰決的主要因素

（1）地震災(zāi)害，超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)地震導(dǎo)致大壩嚴(yán)重裂縫、基礎(chǔ)破壞等。

（2）地質(zhì)條件變化產(chǎn)生嚴(yán)重的大壩裂縫、兩壩肩失穩(wěn)、大壩變位等。

（3）壩址發(fā)生嚴(yán)重的山體滑坡、泥石流等，直接沖擊損壞大壩。

（4）上游三板溪水庫潰壩。

（5）戰(zhàn)爭或恐怖事件。

2.2 可能發(fā)生的水庫潰壩形式

水庫潰壩的形式按潰壩過程的時間長短，可分為瞬時潰壩和逐漸潰壩；按潰壩潰口大小，可分為全部潰壩和局部潰壩。

掛治水庫大壩為混凝土重力壩，在突發(fā)情況下，可能發(fā)生下列潰壩形式：

（1）超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)地震可能引起水庫大壩嚴(yán)重裂縫，若為壩體縱向貫穿裂縫，則可能壩體相對滑動，引起的潰壩形式為全部潰壩、局部潰壩和逐漸潰壩，若為壩體橫向貫穿裂縫，則引起的潰壩形式為全部潰壩和逐漸潰壩。

（2）超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)地震可能引起水庫大壩基礎(chǔ)破壞、失穩(wěn)和水工建筑倒塌，則引起的潰壩形式為局部潰壩和瞬間潰壩。

（3）地質(zhì)條件變化產(chǎn)生嚴(yán)重的大壩裂縫、兩壩肩失穩(wěn)、大壩變位等，引起的潰壩形式為局部潰壩、瞬時潰壩和逐漸潰壩。

（4）壩址發(fā)生嚴(yán)重的山體滑坡、泥石流等，直接沖擊大壩，造成大壩壩體損壞，引起的潰壩形式為局部潰壩、瞬時潰壩和逐漸潰壩。

（5）戰(zhàn)爭和恐怖事件帶來的炸彈或炸藥直接作用于壩體，引發(fā)壩體潰決，引起的潰壩形式為局部潰壩、瞬時潰壩和逐漸潰壩。

2.3 潰壩洪水計算

2.3.1 壩址最大流量估算

掛治水庫大壩為混凝土重力壩，超標(biāo)洪水漫壩一般不會引起潰壩情況，潰壩主要風(fēng)險由地震、戰(zhàn)爭、地質(zhì)災(zāi)害等突發(fā)因素引起，本次計算采用較為極端的局部瞬間潰壩，潰決的壩段寬度取主壩長的40%。采用肖克列奇經(jīng)驗公式進行計算：

式中Qmax——壩址最大流量（m3/s）；

B——主壩長度（m）；

B——潰口寬度（m）；

H0——潰壩前上游水深（m）；

G——重力加速度（9.8m/s2）。

潰壩壩前上游水深H0為水庫最大壩高H減去壩前淤深和庫水位距壩頂?shù)木嚯x。按照正常水位計算掛治水庫大壩潰壩洪水流量，掛治水庫主壩B為317.1m,潰壩前上游水深H0為39m，則壩址最大洪水流量Qmax為36 022m3/s。

2.3.2 水庫潰壩最大流量沿程演進估算

潰壩洪水演算采用國內(nèi)外廣泛采用的李斯特萬計算公式：

式中Qn——潰壩演進到下游某處的潰壩最大流量（m3/s）；

W——水庫潰壩時的庫容（m3）；

Qm——壩址處最大流量（m3/s）；

L——下游某處距壩址的距離（m）；

V——河道洪水期斷面平均流速，有資料的取最大實測值，無資料山區(qū)（5.0～3.0）m3/s ，山丘區(qū)?。?.0～2.0）m3/s ，平原區(qū)?。?.0～1.0）m3/s，本次計算采用5.0m3/s；

K——經(jīng)驗系數(shù)，山區(qū)1.5～1.1，山丘區(qū)取1.0，平原區(qū)取0.9～0.8，本次計算中采用1.0。

2.3.3 潰壩流量過程線估算

式中T——潰壩洪水歷時（s）；

表1 掛治電廠潰壩時下游各重要城鎮(zhèn)最大洪水流量

W——潰壩洪量（m3）；

Qm——潰壩最大流量（m3/s）；

Q0——潰壩時入庫流量（m3/s）。

潰壩流量過程線與潰壩最大流量Qm（m3/s），潰壩時入庫流量Q0（m3/s）、下游水位及潰壩洪量有關(guān)，其線型類似于4次拋物線，即：

式中Qt——t時刻的流量（m3/s）；

Q0——入庫流量（m3/s）；

T——潰壩洪水總歷時（s）。

因入庫流量Q0相對于出庫流量Qt來說極小，本次計算中忽略不計。壩址潰壩流量過程線（見表2和圖1）

表2 壩址潰壩流量過程

圖1 掛治電廠壩址潰壩洪水過程曲線

2.4 水庫潰壩影響范圍的估算

根據(jù)表1及掛治電廠水庫下游各處歷史水文資料可知，電廠潰壩洪水影響重點為錦屏縣城（三江鎮(zhèn)），根據(jù)水庫下游錦屏水文站歷年綜合水位～流量關(guān)系曲線圖（圖2），可估算出錦屏縣城的過流面積。再根據(jù)錦屏縣城地形等高線圖估算該處的洪水淹沒邊界，從而得出水庫潰壩影響范圍。

圖2 錦屏水文站歷年綜合水位～流量關(guān)系曲線圖

2.4.1 水庫潰壩洪水對下游防洪工程、重要保護目標(biāo)造成破壞程度和影響范圍（圖3）

圖3 掛治電廠潰壩洪水對錦屏縣城的影響范圍

（1）掛治水庫潰壩洪水的影響范圍。影響范圍：錦屏縣城（重點）、茅坪鎮(zhèn)、坌處鎮(zhèn)、遠口鎮(zhèn)、白市鎮(zhèn)和白市水電站。

（2）重要保護目標(biāo)。影響范圍內(nèi)的黨政機關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院等重點部門和重點單位；供水、供氣、供電等生命線工程設(shè)施；人員聚集集中的城鎮(zhèn)。潰壩洪水將對以上重要目標(biāo)造成較大的影響，尤其是錦屏縣城。

（3）影響范圍內(nèi)的人口等社會經(jīng)濟情況。掛治水庫下游影響范圍內(nèi)城鎮(zhèn)主要包括：錦屏縣城、茅坪鎮(zhèn)、坌處鎮(zhèn)、遠口鎮(zhèn)、白市鎮(zhèn)等。尤其錦屏縣城，錦屏縣城所在地——三江鎮(zhèn)是錦屏縣政治、經(jīng)濟、文化和交通中心，也是全縣經(jīng)濟貿(mào)易集散地。地區(qū)范圍包括縣城的風(fēng)雨橋、碼頭、步行街、飛山4個社區(qū)，赤溪坪、排洞、圭腮及龍?zhí)?個村委會。全鎮(zhèn)國土總面積130 km2，人口3.22萬，其中城區(qū)面積15.12 km2，人口2.01萬。

2.4.2 水庫潰壩對上游可能引發(fā)滑坡崩塌的地點、范圍和危害程度

水庫大壩潰壩后，水庫水量急劇下泄，庫水位迅速下降，原水庫正常蓄水時庫區(qū)形成的新的平衡立即遭到破壞，這時水庫周邊坡體內(nèi)含水量及地下水位發(fā)生巨大改變，將破壞坡體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致斜坡蠕變，發(fā)生滑坡災(zāi)害。

掛治水庫庫區(qū)左岸邊坡多為緩坡，較為穩(wěn)定，但近幾年來因庫區(qū)居民在左岸大量修建民居，山體破壞較多，存在滑坡災(zāi)害風(fēng)險；而右岸邊坡一般較陡，部分局部地區(qū)坡腳較大地段，因構(gòu)造發(fā)育、巖體風(fēng)化較深，穩(wěn)定性較差，發(fā)生滑坡災(zāi)害可能性較大。但因水庫庫區(qū)地貌形態(tài)為中低山丘陵區(qū)，總體地形較低緩，山體滑坡范圍較小，影響不大。因此，潰壩發(fā)生時，兩岸居民應(yīng)及早撤離，庫區(qū)右岸沿江公路及時封閉，禁止車輛通行。

3 結(jié) 語

經(jīng)計算，掛治電站大壩在正常蓄水位322 m時發(fā)生局部瞬間潰決，其壩址處洪峰流量為36 022 m3/s，至下游錦屏縣城最大洪水為19 980m3/s，遠超過錦屏縣城現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)11 600 m3/s，將會給當(dāng)?shù)卦斐蓸O大的影響和損失。因此，一旦掛治電廠水庫大壩發(fā)生工程險情，必須立即啟動相關(guān)防汛應(yīng)急預(yù)案，切實做好水庫的防洪搶險調(diào)度和險情搶護工作，最大程度地保障人民群眾生命安全，減少損失。